Ferromagnetismus: ferromagnetische Materialien, Anwendungen und Beispiele

Ferromagnetismus ist die Eigenschaft, die einigen Substanzen eine intensive und dauerhafte magnetische Reaktion verleiht. In der Natur gibt es fünf Elemente mit dieser Eigenschaft: Eisen, Kobalt, Nickel, Gadolinium und Dysprosium, diese letzteren seltenen Erden.

Bei Vorhandensein eines äußeren Magnetfeldes, wie es beispielsweise ein natürlicher Magnet oder Elektromagnet erzeugt, reagiert eine Substanz entsprechend ihrer inneren Konfiguration auf charakteristische Weise. Die Größe, die diese Antwort quantifiziert, ist die magnetische Permeabilität.

Die magnetische Permeabilität ist eine dimensionslose Größe, die sich aus dem Quotienten zwischen der Stärke des im Material erzeugten Magnetfelds und der des von außen angelegten Magnetfelds ergibt.

Wenn diese Antwort viel größer als 1 ist, wird das Material als ferromagnetisch katalogisiert. Wenn jedoch die Permeabilität nicht viel größer als 1 ist, wird die magnetische Antwort als schwächeres paramagnetisches Material angesehen.

In Eisen liegt die magnetische Permeabilität in der Größenordnung von 104. Dies bedeutet, dass das Feld im Inneren des Eisens etwa 10.000-mal größer ist als das Feld, das von außen angelegt wird. Was eine Vorstellung davon gibt, wie stark die magnetische Reaktion dieses Minerals ist.

Wie entsteht die magnetische Reaktion in Substanzen?

Es ist bekannt, dass Magnetismus ein Effekt ist, der mit der Bewegung elektrischer Ladungen verbunden ist. Genau daraus besteht der elektrische Strom. Woher kommen dann die magnetischen Eigenschaften des Stabmagneten, mit dem eine Note in den Kühlschrank geklebt wurde?

Das Material des Magneten und jede andere Substanz enthält im Inneren Protonen und Elektronen, die ihre eigene Bewegung haben und auf verschiedene Weise elektrische Ströme erzeugen.

Ein sehr vereinfachtes Modell geht davon aus, dass sich das Elektron auf einer Kreisbahn um den Kern befindet, der von Protonen und Neutronen gebildet wird, wodurch eine winzige Stromschleife entsteht. Jeder Spirale ist eine Vektorgröße zugeordnet, die als "orbitales magnetisches Moment" bezeichnet wird und deren Intensität sich aus dem Produkt des Stroms und der von der Schleife bestimmten Fläche ergibt: dem Bohr-Magneton.

In dieser kleinen Schleife hängt der Strom natürlich von der Ladung des Elektrons ab. Da alle Substanzen in ihrem Inneren Elektronen enthalten, haben sie grundsätzlich die Möglichkeit, magnetische Eigenschaften auszudrücken. Allerdings tun es nicht alle.

Dies liegt daran, dass ihre magnetischen Momente nicht ausgerichtet, sondern zufällig im Inneren angeordnet sind, so dass sich ihre magnetischen Effekte auf makroskopischer Ebene aufheben.

Die Geschichte endet hier nicht. Das magnetische Moment, das durch die Bewegung des Elektrons um den Kern erzeugt wird, ist nicht die einzige mögliche Quelle für Magnetismus in dieser Größenordnung.

Das Elektron hat eine Art Drehbewegung um seine Achse. Es ist ein Effekt, der zu einem intrinsischen Drehimpuls führt. Diese Eigenschaft nennt man den Spin des Elektrons.

Natürlich hat es auch ein magnetisches Moment und ist viel intensiver als das Umlaufmoment. Tatsächlich ist der größte Beitrag zum magnetischen Nettomoment des Atoms durch den Spin zu leisten, dennoch tragen beide magnetischen Momente: das der Translation plus der intrinsische Drehimpuls zum gesamten magnetischen Moment des Atoms bei.

Diese magnetischen Momente sind diejenigen, die dazu neigen, sich bei Vorhandensein eines externen Magnetfelds auszurichten. Und sie machen sie auch mit den Feldern, die durch die benachbarten Momente im Material erzeugt werden.

Jetzt bilden Elektronen normalerweise Paare in Atomen mit vielen Elektronen. Zwischen Elektronen mit entgegengesetztem Spin bilden sich Paare, wodurch sich das magnetische Moment des Spins aufhebt.

Die einzige Möglichkeit, wie der Spin zum gesamten magnetischen Moment beiträgt, besteht darin, dass einige ungepaart bleiben, dh, das Atom hat eine ungerade Anzahl von Elektronen.

Man fragt sich, was es mit dem magnetischen Moment der Protonen im Kern auf sich hat. Nun, sie haben auch einen Spin-Moment, aber es wird nicht angenommen, dass er wesentlich zum Magnetismus eines Atoms beiträgt. Dies liegt daran, dass das Spinmoment umgekehrt von der Masse abhängt und die Masse des Protons viel größer ist als die des Elektrons.

Die magnetischen Domänen

In Eisen, Kobalt und Nickel, der Dreiklang von Elementen mit großer magnetischer Reaktion, ist das von Elektronen erzeugte Nettodrehmoment nicht 0. In diesen Metallen sind die Elektronen im 3d-Orbital, dem äußersten, das das trägt zum magnetischen Nettomoment bei. Deshalb werden solche Materialien als ferromagnetisch angesehen.

Dieses individuelle magnetische Moment jedes Atoms reicht jedoch nicht aus, um das Verhalten ferromagnetischer Materialien zu erklären.

Innerhalb der stark magnetischen Materialien gibt es Bereiche, die als magnetische Domänen bezeichnet werden und deren Ausdehnung zwischen 10 & supmin; & sup4; und 10 & supmin; ¹ cm liegen kann und die Milliarden von Atomen enthalten. In diesen Regionen erreichen die Spinmomente netto benachbarter Atome eine starke Kopplung.

Wenn sich ein Material mit magnetischen Domänen einem Magneten nähert, richten sich die Domänen miteinander aus, wodurch der magnetische Effekt verstärkt wird.

Dies liegt daran, dass die Domänen wie die Stabmagnete Magnetpole haben, die gleichermaßen als Nord und Süd bezeichnet werden, so dass sich die gleichen Pole abstoßen und die Gegensätze angezogen werden.

Wenn sich die Domänen am äußeren Feld ausrichten, gibt das Material Knirschen ab, die durch entsprechende Verstärkung hörbar werden.

Dieser Effekt kann beobachtet werden, wenn ein Magnet die Nägel von süßem Eisen anzieht und diese sich wiederum wie Magnete verhalten, die andere Nägel anziehen.

Magnetische Domänen sind keine statischen Grenzen innerhalb des Materials. Seine Größe kann durch Kühlen oder Erhitzen des Materials und durch Einwirken äußerer Magnetfelder verändert werden.

Das Wachstum der Domain ist jedoch nicht unbegrenzt. In dem Moment, in dem es nicht mehr möglich ist, sie weiter auszurichten, soll der Sättigungspunkt des Materials erreicht worden sein. Dieser Effekt spiegelt sich in den später erscheinenden Hysteresekurven wider.

Die Erwärmung des Materials führt zum Verlust der Ausrichtung der magnetischen Momente. Die Temperatur, bei der die Magnetisierung vollständig verloren geht, hängt von der Art des Materials ab, bei einem Stabmagneten geht sie normalerweise bei etwa 770 ° C verloren.

Sobald der Magnet entfernt ist, geht die Magnetisierung der Nägel aufgrund der jederzeit vorhandenen thermischen Bewegung verloren. Es gibt aber auch andere Verbindungen, die permanent magnetisiert sind, weil sie spontan ausgerichtete Domänen haben.

Die magnetischen Domänen können beobachtet werden, wenn ein flacher Bereich aus nicht magnetisiertem ferromagnetischem Material wie süßem Eisen sehr gut geschnitten und poliert wird. Sobald dies erledigt ist, wird es mit feinem Eisenstaub oder Spänen bestreut.

Unter dem Mikroskop wird beobachtet, dass die Späne auf den mineralbildenden Bereichen mit einer sehr genau definierten Orientierung gruppiert sind, die den magnetischen Domänen des Materials folgt.

Der Unterschied im Verhalten zwischen verschiedenen magnetischen Materialien beruht auf der Art und Weise, wie sich die Domänen in ihrem Inneren verhalten.

Magnetische Hysterese

Die magnetische Hysterese ist eine Eigenschaft, die nur Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität besitzen. Es wird nicht von paramagnetischen oder diamagnetischen Materialien präsentiert.

Es stellt den Effekt eines angelegten externen Magnetfeldes dar, das als H auf die magnetische Induktion B eines ferromagnetischen Metalls während eines Magnetisierungs- und Desimanisierungszyklus bezeichnet wird. Das gezeigte Diagramm hat den Namen der Hysteresekurve.

Anfänglich gibt es am Punkt O weder ein angelegtes Feld H noch eine magnetische Antwort B, aber wenn die Intensität von H zunimmt, nimmt die Induktion B progressiv zu, bis der Betrag der Sättigung Bs am Punkt A erreicht ist, der erwartet wird.

Jetzt wird die Intensität von H schrittweise verringert, bis sie 0 wird, wodurch wir zu Punkt C gelangen, jedoch verschwindet die magnetische Reaktion des Materials nicht, wobei eine remanente Magnetisierung beibehalten wird, die durch den Wert B _r angezeigt wird. Dies bedeutet, dass der Prozess nicht umkehrbar ist.

Von dort steigt die Intensität von H, jedoch mit umgekehrter Polarität (negatives Vorzeichen), so dass die verbleibende Magnetisierung am Punkt D aufgehoben wird. Der notwendige Wert von H wird als H _{c bezeichnet} und als Koerzitivfeld bezeichnet .

Die Größe von H nimmt zu, bis wieder der Sättigungswert in E erreicht ist, und sofort nimmt die Intensität von H ab, bis 0 erreicht ist. Es verbleibt jedoch eine verbleibende Magnetisierung mit entgegengesetzter Polarität zu der oben in Punkt F beschriebenen.

Nun wird die Polarität von H wieder invertiert und ihre Größe erhöht, bis die magnetische Reaktion des Materials in Punkt G aufgehoben ist.Nach dem Weg GA wird wieder seine Sättigung erhalten. Aber das Interessante ist, dass Sie nicht auf dem ursprünglichen Weg dorthin gekommen sind, der durch die roten Pfeile angezeigt wird.

Magnetisch harte und weiche Materialien: Anwendungen

Das süße Eisen lässt sich leichter magnetisieren als der Stahl, und durch Antippen des Materials wird die Ausrichtung der Domänen erleichtert.

Wenn ein Material leicht zu magnetisieren und zu entmagnetisieren ist, wird es als magnetisch weich bezeichnet, und natürlich ist das Gegenteil der Fall, wenn es passiert, ein magnetisch hartes Material. Bei letzteren sind die magnetischen Domänen klein, während sie bei ersteren groß sind, so dass sie wie oben beschrieben durch das Mikroskop gesehen werden können.

Die von der Hysteresekurve eingeschlossene Fläche ist ein Maß für die Energie, die zum Magnetisieren - Entmagnetisieren des Materials benötigt wird. Die Abbildung zeigt zwei Hysteresekurven für zwei verschiedene Materialien. Das linke ist magnetisch weich, während das rechte hart ist.

Ein weiches ferromagnetisches Material hat ein kleines Koerzitivfeld H _c und eine enge und hohe Hysteresekurve. Es ist ein geeignetes Material, um es im Kern eines elektrischen Transformators zu platzieren. Beispiele hierfür sind süße Eisen- und Siliciumeisen- und Nickeleisenlegierungen, die für Kommunikationsgeräte nützlich sind.

Andererseits ist es schwierig, magnetisch harte Materialien zu entmagnetisieren, sobald sie magnetisiert sind, wie Legierungen (Aluminium-Nickel-Kobalt) und Seltenerdlegierungen, aus denen Permanentmagnete hergestellt sind.